耕作方式對東北黑土坡耕地土壤物理性狀及根系垂直分布的影響

閆 雷，喇樂鵬，董天浩，劉鳴一，孫小賀，孟慶堯，張鈺瑩，張乃文，孟慶峰

耕作方式對東北黑土坡耕地土壤物理性狀及根系垂直分布的影響

閆 雷，喇樂鵬，董天浩，劉鳴一，孫小賀，孟慶堯，張鈺瑩，張乃文，孟慶峰※

（東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

為了明確耕作方式對東北薄層黑土坡耕地土壤物理性狀以及玉米根系垂直分布的影響，該研究以東北薄層黑土坡耕地土壤為研究對象，設置免耕和翻耕2種耕作方式，研究耕作方式對不同坡位土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布與穩(wěn)定性、土壤容重、土壤孔隙度、土壤貫入阻力以及玉米根系在垂直方向主要分布深度的影響，并進一步探究各指標間的相互關系。結果表明，與免耕相比，翻耕處理通過增加土壤>1～2 mm粒級水穩(wěn)性團聚體含量，降低0～20 cm土層土壤容重，改善0～20 cm土層土壤孔隙度，降低>10～20 cm土層土壤貫入阻力，增加玉米根系在垂直方向主要分布深度；但同時翻耕處理條件下>5 mm粒級土壤團聚體含量平均減少59.1%，平均重量直徑平均降低31.9%。翻耕處理下，坡位對土壤孔隙度、>5 mm粒級水穩(wěn)性團聚體含量以及平均重量直徑的影響都呈現(xiàn)坡中位與坡下位優(yōu)于坡上位。研究結果表明，對于東北薄層黑土坡耕地，在坡中位和坡下位采用翻耕有利于降低土壤緊實度，促進玉米根系下扎；在坡上位可采用免耕改善土壤結構及其穩(wěn)定性。該研究可為促進黑土可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)與參考。

土壤；耕作；孔隙度；團聚體；貫入阻力；坡位

0 引 言

東北黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一，也是中國重要的玉米商品糧產地。坡耕地是東北黑土區(qū)的主要耕地類型，面積約占黑土區(qū)耕地面積的60%[1]。東北黑土區(qū)坡耕地坡緩且長，長期的不合理耕作導致其土壤結構惡化，耕層變淺，水土流失加劇。土壤團聚體是土壤結構的基本單位，土壤團聚體的粒徑分布和穩(wěn)定性對土壤抗侵蝕能力有著重要影響[2-3]。不同粒級團聚體和原生初級顆粒的空間排列形成土壤孔隙，土壤孔隙度直接影響著水、熱、氣以及作物根系發(fā)育[4-5]。土壤孔隙度與土壤容重呈顯著負相關，土壤孔隙度越大，土壤固相越小，土壤容重和土壤貫入阻力降低，有利于根系下扎[6-7]。

適宜的耕作方式通過機械作用改善土壤結構，協(xié)調土壤空氣、水分、養(yǎng)分、熱量的關系，為作物生長發(fā)育提供良好條件，提高作物產量[8-9]。目前，東北地區(qū)常見的耕作方式有翻耕和旋耕，而免耕因為具有經濟成本低，保墑和固碳減排等優(yōu)點正在被大范圍推廣。戴玨等[10]對潮土的研究表明，免耕減少了對土層的擾動，可增加土壤大團聚體含量，降低土壤有機碳礦化，增強膠結作用，有利于大團聚體形成。李婧妤等[11]發(fā)現(xiàn)，由于播種機的壓實作用，導致免耕條件下黏質黑土土壤緊實度顯著增加。免耕條件下，土壤緊實度增加，玉米根系下扎受阻，10～20 cm土層根系生物量密度減小，導致玉米產量顯著降低[12]。翻耕處理有利于增加土壤孔隙度，降低土壤貫入阻力[13]，但翻耕措施對土壤擾動較大，導致土壤大團聚體含量減少，土壤團聚體穩(wěn)定性降低[14-15]，導致土壤抗侵蝕能力減弱。

目前，國內外研究多集中在耕作方式對不同類型土壤物理性狀的影響[4,9]，在坡耕地的研究中往往忽視坡位的影響[16]。本文基于東北薄層黑土區(qū)坡耕地田間定位試驗，探討耕作方式對不同坡位土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布、水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性、容重、土壤孔隙度、土壤貫入阻力及玉米根系在垂直方向主要分布深度的影響，以期為改善東北薄層黑土區(qū)坡耕地土壤物理性狀，因地制宜、科學合理地選擇適宜的耕作方式，緩解水土流失，促進黑土可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

東北黑土區(qū)保護性耕作長期定位試驗設置于東北農業(yè)大學向陽試驗基地（44°04′N，125°42′E ）。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，試驗期間年平均降水量為500 mm，年平均氣溫為3.9 ℃，年均光照時間為2 500 h，無霜期為140 d。試驗地坡向為東坡，坡長150 m，坡度為2.5°。供試土壤為典型黑土，質地為粉壤土（質量分數(shù)分別為：砂粒5.3%，粉粒68.5%，黏粒28.9%）。供試土壤理化性質為：容重1.13 g/cm3，有機質34.5 g/kg，銨態(tài)氮32.5 mg/kg，硝態(tài)氮14.3 mg/kg，速效鉀 100 mg/kg，有效磷 20.5 mg/kg，pH值6.03。

1.2 試驗設計

本試驗于2015年9月至2018年10月實施，從長期定位試驗基地中選取平衡施肥處理下2個耕作處理：1）免耕（No Tillage，NT）：全年不耕作，播種時使用東北農業(yè)大學研發(fā)的2MB-2免耕播種機一次性完成播種；2）翻耕（Conventional Tillage，CT）：秋季收獲后，采用挪威格蘭KVERNELAND懸掛式翻轉犁完成翻耕，耕深約20 cm，是東北地區(qū)傳統(tǒng)的耕作方式。依據(jù)海拔從高到低縱向將坡劃分為上、中、下3個坡位（表1），每個小區(qū)面積為104 m2（20 m×5.2 m），每個處理重復3次。每年秋季收獲后，人工移除秸稈。試驗采用順坡壟作和玉米連作的種植方式，供試玉米品種為合眾11號，玉米株距為25 cm。播種時施入穩(wěn)定性復合肥（N:P2O5:K2O= 27:10:13) 480 kg/hm2為底肥。田間管理與當?shù)卮筇锕芾硐嗤?/p>

表1 試驗區(qū)坡位基本信息

1.3 樣品采集

在不同土壤耕作處理連續(xù)4a定位試驗后，于2018年10月玉米收獲后進行取樣。每個處理按0～10、>10～20、>20～30 cm土層采集原狀土樣，每個小區(qū)按“S”形布點法采集5個點樣品。帶回實驗室后，將大土塊按自然裂痕剝離為體積1 cm3的小塊，待自然風干后將土樣混勻，以供土壤團聚體室內測定。利用環(huán)刀分層采集0～30 cm 土層原狀土壤樣品，每10 cm一層，每個小區(qū)測定3次重復，用于測定土壤容重。

1.4 指標測定

土壤容重采用環(huán)刀法測定。土壤貫入阻力測定：在玉米收獲期，每個小區(qū)隨機選取6個點，用SC-900土壤硬度計測定（SPECTRUM公司，美國），測定0～30 cm的土壤貫入阻力，每2.5 cm為1層測定1個數(shù)據(jù)，并計算每10 cm土層的平均貫入阻力。玉米根系垂直方向主要分布深度測定：收獲期，每個小區(qū)選取3株長勢相同的玉米，垂直于壟的方向挖長50 cm深30 cm的剖面。在剖面上放置2 cm×2 cm的網格，確定玉米根系在0～30 cm土層根系主要分布區(qū)域，并用直尺測量其深度。采用濕篩法[17]測定土壤各粒級團聚體（>5 mm、>2～5 mm、>1～2 mm、>0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、<0.25 mm）含量。

土壤孔隙度計算公式為

式中為土壤孔隙度，%；ρ為土壤容重，g/cm3；ρ為土粒密度，取2.65 g/cm3[18]。

各粒級水穩(wěn)性團聚體含量計算公式為

式中Ai為各粒級水穩(wěn)性團聚體含量，%；M為各粒級水穩(wěn)性團聚體質量，g；為土壤樣品總質量，g。

團聚體平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）計算公式為

式中MWD為團聚體平均重量直徑，mm；X為各粒級團聚體的平均直徑，mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 8.5進行繪圖，利用SPSS 22系統(tǒng)軟件進行方差分析、相關性分析及多元回歸性分析。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對土壤孔隙度的影響

不同耕作方式和坡位下，0～30 cm土層土壤孔隙度的分布情況如圖1所示。從整體上看，在相同坡位，翻耕處理下的土壤孔隙度大于免耕處理。在坡上位、坡中位和坡下位0～20 cm土層，翻耕處理下土壤孔隙度顯著高于免耕處理（<0.05）。在坡下位>20～30 cm土層，與免耕處理相比，翻耕處理下土壤孔隙度顯著增加5.01%（<0.05）。

在相同坡位、同種耕作方式下，土壤孔隙度隨土層深度的增加呈減小趨勢。同種耕作方式下，坡位對相同土層土壤孔隙度的影響存在差異。從整體上看，同種耕作方式下，相同土層土壤孔隙度隨坡位的降低呈現(xiàn)增加的趨勢。免耕處理下，在0～10 cm土層，坡上位和坡中位土壤孔隙度比坡下位分別減少7.14%和4.28%，并達到顯著差異（<0.05）。翻耕處理下，與坡下位相比，坡上位0～30 cm土層土壤孔隙度平均減少5.86%，其中在0～10 cm土層和>10～20 cm土層差異達到顯著（<0.05）。

2.2 耕作方式對土壤容重和土壤貫入阻力的影響

由表2可知，在相同坡位、同種耕作方式下，土壤貫入阻力在0～30 cm土層深度范圍內隨土層深度增加而增大。翻耕處理下，在相同土層深度，坡位對土壤貫入阻力無顯著影響。免耕處理下，在>20～30 cm土層，與坡上位相比，坡中位土壤貫入阻力顯著增加39.8%（<0.05）。在相同坡位和土層深度下，耕作方式對土壤貫入阻力的影響存在差異：0～10 cm土層，在相同坡位下，與免耕處理相比，翻耕處理可以降低土壤貫入阻力，但差異不顯著（>0.05）。>10～20 cm土層，翻耕處理下坡上位、坡中位、坡下位土壤貫入阻力與免耕處理相比，分別降低38.8%、34.5%和44.8%，并達到顯著差異（<0.05）。>20～30 cm土層，在坡中位和坡下位，與免耕處理相比，翻耕處理可以顯著降低土壤貫入阻力；在坡上位，與免耕處理相比，翻耕處理下土壤貫入阻力增加8.2%，但差異不顯著（>0.05）。

在相同坡位、同種耕作方式下，土壤容重在0～30 cm土層深度范圍內隨土層深度增加而增大。同一土層深度，不同耕作方式下坡位對土壤容重的影響存在差異。翻耕處理下0～20 cm土層，與坡上位相比，坡下位土壤容重顯著降低（<0.05）。免耕處理下，0～10 cm土層，與坡下位相比，坡上位和坡中位土壤容重顯著增加（<0.05）。在0～20 cm土層，相同坡位下，與免耕相比，翻耕可以顯著降低土壤容重（<0.05）。

表2 耕作方式對不同坡位容重和土壤貫入阻力的影響

2.3 耕作方式對土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布的影響

不同耕作方式和坡位下，土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布如表3所示。與免耕相比，長期翻耕處理下0～30 cm土層>5 mm粒級團聚體含量平均減少59.1%，且差異顯著（<0.05）。在坡上位，與免耕相比，翻耕處理下>1～2和>0.5～1 mm粒級土壤團聚體含量顯著增加（<0.05）。在坡中位，翻耕處理下>2～5、>1～2和>0.5～1 mm粒級土壤團聚體含量高于免耕。在坡下位，與免耕相比，翻耕可以增加>0.5～1和>0.25～0.5 mm粒級土壤團聚體含量。翻耕處理下，與坡下位相比，坡上位0～30土層>5 mm粒級團聚體含量平均減少30.8%。

表3 不同耕作方式下水穩(wěn)性團聚體在不同坡位上的分布

2.4 耕作方式對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團聚體平均重量直徑（MWD）能夠反映土壤團聚體的粒徑分布，是評價土壤結構穩(wěn)定性的重要指標，MWD值越大，土壤結構越穩(wěn)定[19]。不同耕作方式下土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值最大值為1.99 mm，最小值為0.95 mm，分別出現(xiàn)在免耕處理下坡上位>10～20 cm土層和翻耕處理下坡上位>10～20 cm土層（圖2）。整體上，與免耕處理相比，翻耕處理下0～20 cm土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值平均減小31.9%，且達到差異顯著（<0.05）。在坡上位>10～20 cm土層，與翻耕處理相比，免耕處理下MWD值增加幅度最大（109.5%）；在坡中位>20～30 cm土層，與翻耕處理相比，免耕處理下MWD值增加幅度最小（20.5%）。

相同耕作方式下，坡位對土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值的影響存在差異。從整體上看，免耕處理下，坡中位對土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值的影響較大，坡下位次之；翻耕處理下，不同坡位土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值從大到小依次為：坡中位、坡下位、坡上位。免耕處理下，>10～30 cm土層，坡上位土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值顯著高于坡下位（<0.05）。翻耕處理下，0～20 cm土層，坡中位土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值顯著高于坡上位（<0.05）；>20～30 cm土層，與坡下位相比，坡中位土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值增加38.4%，并達到差異顯著（<0.05）。

2.5 耕作方式對玉米根系垂直分布深度的影響

本試驗中，玉米根系在垂直方向主要分布在16.4～20.7 cm之間（圖3）。與免耕處理相比，翻耕處理下玉米根系垂向分布深度在坡上位、坡中位、坡下位分別增加23.2%、15.1%和14.4%，且達到差異顯著（<0.05）。相同耕作方式下，坡位對玉米根系垂向分布深度的影響存在差異。免耕處理下，與坡上位相比，坡下位玉米根系在垂直方向主要分布深度增加10.4%，且達到差異顯著（<0.05）。翻耕處理下，坡位對玉米根系在垂直方向主要分布深度無顯著影響。

2.6 土壤物理性質相關性分析

2.6.1 團聚體穩(wěn)定性與團聚體粒級組成的關系

將土壤水穩(wěn)性團聚體各粒級所占比例與MWD以及土壤孔隙度進行回歸分析，采用 Stepwise法以選擇最優(yōu)組合建立回歸方程。由表4可以看出，對水穩(wěn)性團聚體MWD的首要影響因素為WSA>5 mm，其次為WSA>2~5 mm和WSA>1~2 mm，說明>1 mm粒級大團聚體的形成有利于提高土壤結構的穩(wěn)定性。土壤孔隙度的影響因素為WSA>2~5 mm和WSA>1~2 mm。

表4 水穩(wěn)性團聚體各粒級含量與MWD及土壤孔隙度回歸分析

注：MWD為土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑；為土壤孔隙度；WSA>5 mm為>5 mm土壤水穩(wěn)性團聚體含量；WSA>2~5 mm為>2~5 mm土壤水穩(wěn)性團聚體含量；WSA>1~2 mm為>1～2 mm土壤水穩(wěn)性團聚體含量。*與**分別表示0.05和0.01水平顯著相關。

Note:MWDis mean weight diameter;is soil porosity; WSA>5 mmis the content of water-stable aggregate >5 mm size; WSA>2-5 mmis the content of water-stable aggregate >2-5 mm size; WSA>1-2 mmis the content of water-stable aggregate > 1-2 mm size. * and ** mean significant correlation at the level of 0.05 and 0.01, respectively.

2.6.2 土壤孔隙度與土壤貫入阻力的關系

由圖4可知，土壤孔隙度與土壤貫入阻力呈線性負相關，2=0.72，達極顯著（<0.01）。土壤孔隙度越大，土壤貫入阻力越小。

2.6.3 土壤物理性質與玉米根系土層垂直分布深度的關系

通過對成熟期玉米根系在垂直方向主要分布深度與土壤物理性質的相關性分析可以看出（表 5），玉米根系在垂直方向主要分布深度與0～10 cm土層和>10～20 cm土層土壤孔隙度呈顯著正相關，與>10～20 cm土層土壤貫入阻力呈顯著負相關。這表明耕作方式主要通過影響土壤0～20 cm土層土壤孔隙度和>10～20 cm土層土壤貫入阻力，最終影響玉米根系在垂直方向主要分布深度。

表5 土壤物理性質與玉米根系垂向主要分布深度相關性分析

注：*表示0.05水平顯著相關。

Note:* Means significant correlation at the level of 0.05.

3 討 論

土壤團聚體是土壤結構的基本單位，也是土壤的重要組成部分。本研究中，與免耕處理相比，翻耕處理顯著降低>5 mm粒級土壤水穩(wěn)性團聚體含量，并增加>1～2 mm粒級和>0.5～1 mm粒級聚體含量，這與Komissarov等[20]的研究結果相似。免耕減少了機械因素和人為因素對土壤的擾動，促進了>5 mm粒級團聚體的形成。翻耕處理下，坡中位和坡下位>5 mm粒級團聚體含量高于坡上位，這可能是由于頻繁耕作造成耕作侵蝕，農機將>5 mm粒級團聚體從坡上位搬運至坡中位和坡下位所致[21]。

土壤團聚體平均重量直徑（MWD）是評價土壤結構穩(wěn)定性的重要指標，MWD值越大，表示土壤團聚體團聚度越高，穩(wěn)定性越強[19]。本研究結果顯示，在0～30 cm土層，免耕處理下土壤水穩(wěn)性團聚體MWD顯著高于翻耕處理。利用多元逐步回歸分析研究平均重量直徑與不同粒徑團聚體含量間關系（表4），發(fā)現(xiàn)平均重量直徑和>5、>2～5、>1～2 mm粒級團聚體含量呈極顯著正相關。翻耕通過破壞>5 mm粒級團聚體，導致土壤大團聚體碳礦化，從而降低了土壤結構穩(wěn)定性。這表明耕作方式通過影響不同粒徑土壤團聚體的含量，從而影響土壤結構的穩(wěn)定性。坡位是影響坡耕地土壤理化性狀的重要因素之一。翻耕處理下，坡上位土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值小于坡中位和坡下位，說明坡上位土壤結構穩(wěn)定性較差，土壤更易受到侵蝕。這與翻耕處理下，坡上位>5 mm粒級團聚體含量低于坡中位和坡下位的結果是一致的。免耕處理能夠顯著增加坡上位土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值。

土壤孔隙度是反映土壤緊實狀況的重要指標，它關系著土壤水、氣、熱的流通和貯存以及對植物的供應是否充分和協(xié)調[22]。本研究結果表明，隨著土層深度的增加，土壤孔隙度呈現(xiàn)減小趨勢。這是由于隨土層深度的增加，土壤越緊實，土壤通透性越差。與前人研究結果相似[23]，翻耕處理下0～20 cm土層土壤孔隙度顯著高于免耕處理。土壤團聚體的空間排布和各粒級土壤團聚體的組成與土壤孔隙分布密切相關[24]。利用多元逐步回歸分析研究土壤孔隙度與不同粒徑團聚體含量間關系（表4），發(fā)現(xiàn)土壤孔隙度與>2～5 mm、>1～2 mm粒級團聚體含量呈顯著正相關。因此長期翻耕處理增加了>1～2 mm粒級水穩(wěn)性團聚體含量，從而降低0～20 cm土層土壤孔隙度。相同耕作方式下，土壤孔隙度隨坡位的降低呈現(xiàn)增加的趨勢。這可能是由于長期耕作下，坡上位土壤受到侵蝕，表層土壤在水流沖刷作用或機械搬運作用下在坡下位沉積，從而導致坡下位土壤孔隙度增加。

研究表明，翻耕可以降低土壤緊實度[25]。魏燕華等[26]研究表明，耕作能夠影響耕作深度范圍內土壤容重。本試驗中翻耕的耕作深度為20 cm，因此在本研究中，與免耕處理相比，翻耕可以顯著降低0～20 cm土層土壤容重。本試驗中，翻耕處理下>10～20 cm土層土壤貫入阻力顯著低于免耕處理，這與前人研究結果相似[27-28]。土壤孔隙度與土壤貫入阻力呈極顯著負相關（圖4），因此翻耕通過增加>10～20 cm土層土壤孔隙度從而降低>10～20 cm土層土壤貫入阻力。在坡上位>20～30 cm土層，翻耕處理下土壤貫入阻力高于免耕處理。這可能是由于試驗地黑土層較薄，長期翻耕加劇了坡上位的水土流失，從而導致坡上位土壤耕層變淺，犁底層上移。坡下位>20～30 cm土層，翻耕處理下土壤貫入阻力顯著低于免耕處理。這是由于表土在坡下位沉積，坡下位土壤耕層深度增加引起的。

耕作能通過改善根系環(huán)境來促進作物根系發(fā)育。本研究中，翻耕處理下玉米根系在垂直方向主要分布深度顯著高于免耕處理，這與王玥凱等[29]的研究結果相似。翻耕處理下，坡位對玉米根系在垂直方向主要分布深度無顯著影響，這可能是由于翻耕處理耕作深度為20 cm，降低了0～20 cm范圍內土壤貫入阻力，而玉米根系在垂直方向主要分布在0～20 cm土層內[30-31]，因此坡位對玉米根系無顯著影響。前人研究表明[32]，全球范圍內約50%的玉米根系分布在0～30 cm土層，約90%玉米根系分布在0～200 cm土層。而本研究中剖面深度為30 cm，由于根系取樣深度較淺，所以關于根系的分布結果可能具有一定的局限性。

4 結　論

1）基于4 a田間試驗，發(fā)現(xiàn)耕作方式對土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布、土壤結構穩(wěn)定性、土壤容重、土壤孔隙度、土壤貫入阻力和玉米根系在垂直方向主要分布深度有顯著影響。與免耕相比，翻耕通過增加土壤>1～2 mm粒級水穩(wěn)性團聚體含量，降低0～20 cm土層土壤容重，改善0～20 cm土層土壤孔隙狀況，顯著降低了>10～20 cm土層土壤貫入阻力，促進玉米根系下扎。與免耕相比，長期翻耕處理0～30 cm土層>5 mm粒級土壤團聚體含量平均減少59.1%，平均重量直徑平均降低31.9%，導致土壤結構惡化，土壤抗侵蝕能力減弱。

2）翻耕處理下，坡位對土壤物理性質的影響呈現(xiàn)坡下位、坡中位優(yōu)于坡上位的規(guī)律。與坡下位相比，長期翻耕導致坡上位0～30 cm土層>5 mm粒級土壤團聚體含量平均減少30.8%，土壤結構穩(wěn)定性下降，該范圍內土壤孔隙度平均減小5.86%。

3）對于東北薄層黑土坡耕地，在坡中位和坡下位采用翻耕可降低土壤緊實度，促進玉米根系下扎；在坡上位采用免耕可改善土壤結構及其穩(wěn)定性，促進黑土可持續(xù)發(fā)展。

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Soil physical properties and vertical distribution of root systems affected by tillage methods in black soil slope farmlands in Northeast China

Yan Lei, La Yuepeng, Dong Tianhao, Liu Mingyi, Sun Xiaohe, Meng Qingyao, Zhang Yuying, Zhang Naiwen, Meng Qingfeng※

(,,150030,)

Slope farmland is the main type of farmland in the black soil region of northeastern China, accounting for about 60% in total. Currently, long-term high intensity utilization and irrational farming have led to the deterioration of soil physical properties, particularly on the gentle and long slope. However, it is still unclear on the effect of different tillage on the soil physical properties of slope positions. In this study, a four-year field experiment was conducted at the Xiangyang experimental base of Northeast Agricultural University, in order to clarify the impact of farming modes on the vertical distribution of maize roots, and the soil physical properties in the slope farmland of thin black soil in Northeast of China. Two farming treatments were set as No-Tillage (NT) and Conventional Tillage (CT). The slopes were divided longitudinally into three positions from high to low according to the altitude: upper, middle, and lower layer. Each treatment was repeated three times. The particle size distribution of soil water-stable aggregates was obtained at different slope positions. The indicators were measured, including the stability of water-stable aggregates, soil bulk density, soil porosity, soil penetration resistance, and the distribution of vertical depth in root systems. The results showed that: 1) Compared with NT, the CT significantly increased the soil porosity of 0-20 cm soil layer, and the main distribution depth of maize roots, the vertical direction (<0.05), while significantly reduced the soil layer of 0-20 cm soil bulk density, and soil penetration resistance of 10-20 cm soil layer (<0.05). 2) Compared with NT, the CT significantly reduced the content of water-stable aggregates larger than 5 mm (<0.05), with an average reduction of 59.1%, and the mean weight diameter of soil water-stable aggregates led to the deterioration of soil structure, but increased the content of water-stable aggregates of 1-2 mm. 3) In the CT treatment, the middle and lower slope were better than the upper slope, according to the evaluation on the influence of slope position on the soil porosity, the content of water-stable aggregates larger than 5 mm, and the mean weight diameter. The NT effectively increased the content of water-stable aggregates stability larger than 5 mm in the upper slope soil, and the structural stability in the upper slope soil, thereby to improve the physical properties of the soil. 4) Correlation and regression analysis showed that the plowing can contribute to increase the content of 1-2 mm water-stable aggregates, soil porosity, and the vertical distribution depth of roots, while reduce the soil penetration resistance, the grain size greater than 5 mm the water-stable aggregate content, and the stability of soil structures. The results of the study demonstrated that the plowing can effectively improve the soil compaction and the rooting systems, while lead to the deterioration of soil structure on the slope. Therefore, it is recommended to take conservation measures of water and soil on the upper slope, in order to reduce the soil erosion of slope farmland in the thin black soil area of the Northeast China.

soils; tillage; porosity; aggregate; penetration resistance; slope position

閆雷，喇樂鵬，董天浩，等. 耕作方式對東北黑土坡耕地土壤物理性狀及根系垂直分布的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(1)：125-132.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.016 http://www.tcsae.org

Yan Lei, La Yuepeng, Dong Tianhao, et al. Soil physical properties and vertical distribution of root systems affected by tillage methods in black soil slope farmlands in Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 125-132. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.016 http://www.tcsae.org

2020-07-02

2020-12-20

國家公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項“坡耕地合理耕層構建技術指標研究”（201503119-06-01）

閆雷，博士，教授，研究方向為土壤環(huán)境保護。Email：yanlei_74@163.com

孟慶峰，博士，副教授，研究方向為農業(yè)資源與環(huán)境。Email：qfengmeng@yeah.net

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.016

S343.3

A

1002-6819(2021)-01-0125-08